微波测试夹具及其TRL校准件的设计与制作

芮金城，曹 锐，陶晓辉

(1.合肥工业大学 光电技术研究院，安徽 合肥 230009；2.中国电子科技集团公司第38研究所 重点实验室，安徽 合肥 230088)

微波测试夹具及其TRL校准件的设计与制作

芮金城1，曹 锐2，陶晓辉2

(1.合肥工业大学 光电技术研究院，安徽 合肥 230009；2.中国电子科技集团公司第38研究所 重点实验室，安徽 合肥 230088)

为了满足设计功率放大器时对晶体管精确测试的要求，设计了一种工作在S波段的氮化镓晶体管专用微波测试夹具，根据TRL校准原理制作了相应的校准件来完成夹具的去嵌入。实际测试结果表明，该测试夹具及TRL校准件达到了预期的效果，仿真值与实测值一致性好，损耗误差为0.3 dB，去嵌入之后得到的夹具差损<0.4 dB，S11和S22<-15 dB，用该夹具测得的晶体管参数与其数据手册给出的值相吻合。

微波测试；夹具；TRL校准件；氮化镓；去嵌入

随着以晶体管为核心部件的功率放大器的广泛应用，目前很多晶体管并没有相应的模型，有的晶体管制造商虽然提供了晶体管模型用以放大器的仿真设计，但是模型依然没有足够的准确度和可靠性[1]。因此为了设计性能良好的功率放大器，减少后期的调试工作，对晶体管的精确测试很有必要。在实际测试中为了实现对晶体管的固定以及散热，实现测试仪器与晶体管之间的连接以及同轴到非同轴环境的转换，需要用到微波测试夹具，而目前的夹具在所有晶体管的所有频段并不能做到通用。因此为了得到不同晶体管在不同设计频段的参数，需要制作专门的测试夹具以及与其相匹配的校准件[2]。本文设计了一款用于CREE公司的氮化镓晶体管CGH40010F的微波测试夹具，并根据直通反射延迟线(Through-Reflect-Line，TRL)校准原理制作了相应的校准件，实测结果验证了夹具设计的正确性。

1 TRL校准原理

校准是测试的基础，校准的作用就是去除各种误差项的影响，为此需要建立相应的误差模型，根据误差模型确定误差项，通过测试得到这些误差项参数，再经过一系列计算去除误差，这个过程被称为去嵌入。完整的14项误差模型[3]在求解时会出现误差高次项[4]，且误差项较多，而8项误差模型[5]相对来说简单明了，所有的误差修正公式可以用一个矩阵式来表示，便于数据处理[6]，在TRL校准中得到了应用。夹具的8项误差模型如图1所示。

图1 夹具的8项误差模型

为了消除误差模型中的误差项，需要使用一定的校准方法。校准方法有很多种，TRL校准因其校准准确度只依赖于传输线的特性阻抗而不依赖于其他标准[7]，校准精度较高且适合非同轴测量[8]，所以适合在本文中使用。其原理即用3个S参数已知的校准件来代替图1中的被测件(Device Under Test，DUT)，得到图2中直通，反射和延迟线的信号流图[9]。

图2 TRL校准件信号流图

由图2可以得到关于夹具A，B的3组10个方程，通过解方程得到夹具A，B的S参数，之后再根据式(1)和式(2)即可得到DUT的二端口网络参数[10]

TATDUTTB=TM

(1)

(2)

其中，TA、TDUT、TB和TM分别代表夹具A，被测件，夹具B以及整体测试得到的T矩阵。

2 测试夹具的设计与制作

本文设计的夹具频率范围为整个S波段，一般情况下氮化镓晶体管在该波段的输入阻抗值轨迹在史密斯圆图的左半边且靠近边缘，输出阻抗值在十几欧姆甚至更小，因此为了拓展负载牵引系统中阻抗调配器的调配范围从而得到更精确的最佳阻抗值，夹具的主线设计采用50～20 Ω的预匹配[11]，其实物图如图3所示。

图3 测试夹具实物图

夹具采用左右两边对称的结构，晶体管固定在中间。其中50～20 Ω的匹配采用2阶阶梯阻抗变换线，每阶的线长为1/4波长，线宽根据切比雪夫阻抗变换[12]得到，对初值进行优化得到最终值。偏置电路由1/4波长线并联几个不同大小的电容组成，主要实现隔射频通直流，滤波及去耦的功能，其中扇形电容具增加滤波带宽，减少高频的耗损，提高射频功率的作用[13]。S波段频率较高，集总元件的寄生参数较大，因此不用集总元件而采用微带线进行匹配，只有隔直电容以及偏置结构中的并联电容是集总元件。该夹具板材采用罗杰斯4 350 B，板厚0.762 mm，敷铜厚度35 μm，其整体尺寸为106 mm×35 mm。

3 TRL校准件的设计与制作

TRL校准件的设计要求如下：

直通校准件。该校准件有零长度和非零长度两种类型，本文使用的是零长度的校准件，其设计要求有：(1)校准参考平面在直通校准件的中央；(2)在校准参考平面上S11=S22=0；(3)在校准参考平面上S21=S12=1∠0°[14]。实际制作出的校准件不可能达到这样理想的效果，因此制作要求为在校准参考平面上损耗和反射尽可能小。

反射校准件。该校准件包括开路校准件和短路校准件，任选其一即可，本文使用的是开路校准件，其要求是：(1)反射系数大小越接近1越好，但不需要精确得知；(2)夹具两端反射系数必须相等；(3)如果该标准件要当作校准参考平面的话,其相位响应必须已知[15]。

延迟线校准件。(1)该校准件的特性阻抗是测量时的参考阻抗；(2)与直通校准件的相位响应差值为20～160°之间，越接近90°越好；(3)单一延迟线的带宽只能达到起始频率的8倍，如果要扩展带宽，需要多条延迟线[15]。

根据夹具校准件的设计要求制作的直通和延迟线校准件实物如图4所示，直通校准件即把图1中的夹具两边直接相连，延迟线校准件则是在中间加了一段延迟线，延迟线长度为13 mm。图1所示的夹具可做为开路校准件，加上晶体管之前用作开路校准件，加上晶体管之后用作测试夹具。

图4 直通和延迟线校准件实物图

4 夹具的性能实测验证

对夹具的性能验证分3个步骤进行。

步骤1对装配好的夹具及其校准件进行实测来验证是否和仿真设计一致。图5(a)为直通和延迟线校准件的仿真实测对比图，图5(b)为开路校准件仿真实测对比图，DM表示延迟线校准件实测值；DS表示延迟线校准件仿真值；TM表示直通件实测值；TS表示直通件仿真值；OM表示开路件实测值；OS表示开路件仿真值。由图可知仿真和实测结果一致性较好，在2～4 GHz频段内，直通和延迟线校准件的差损实测<0.8 dB，与仿真误差约在0.3 dB，开路校准件的端口反射系数较大，接近于全反射，符合设计要求。实测和仿真值之间的误差可能是焊锡，SMA头的引入以及集总元件寄生参数的影响。

图5 夹具及其校准件仿真和实测结果对比

步骤2根据TRL校准原理计算得到夹具A，B的S参数是否符合要求。如图6所示，在2～4 GHz频段内，夹具A，B的S21都在-0.4 dB以内，最佳点仅有0.2 dB的差损，夹具A的S22以及夹具B的S11都在-15 dB以下，说明夹具的设计较为成功。

图6 夹具A，B的S参数

步骤3用该夹具对晶体管进行负载牵引测试，测试系统由Focus公司提供。测试条件：连续波输入信号，静态工作点为漏极电压28 V，漏极电流200 mA。测试得到的晶体管最佳输出功率及其阻抗值如表1所示，和晶体管制造商提供的Datasheet的数据对比显示测试得到的Psat(饱和输出功率)接近于其给出的典型值，并在合理的范围内波动。因此夹具的设计是成功的，可以用来进行晶体管的测试。

表1 测试得到的晶体管参数

5 结束语

本文介绍了TRL校准的原理，设计了一款用于氮化镓晶体管的测试夹具，并为其制作了相应的TRL校准件。对夹具的性能验证结果表明该夹具性能良好，达到了预期的目标，能够有效测试晶体管数据。由于氮化镓晶体管的发展方向是大功率，高频率和宽带宽，因此后续的夹具的设计也要朝着这3个方向发展。

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The Design and Manufacture of Microwave Test Fixture and TRL Calibration Kits

RUI Jincheng1,CAO Rui2,TAO Xiaohui2

(1.Academy of Photoelectric Technology,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.No.38th Research Institute of CETC,Hefei 230088,China)

In order to meet the requirement of precise testing of transistor when designing power amplifiers，an exclusive microwave test fixture for GaN transistor at S band has been designed. According to the TRL calibration principle,the corresponding calibration kits are made to complete the fixture’s de-embedding.Measurement results show that the test fixture and TRL calibration kits achieved the desired results:good agreement between simulated and measured values are achieved which the loss error is 0.3 dB.The loss of the fixture after de-embedding is less than 0.4 dB while theS11andS22of the fixture are both less than -15 dB. The transistor parameters measured by the fixture coincide with the values given by the datasheet.

microwave testing ;fixture; TRL calibration kits; GaN; de-embedding

TN368

A

1007-7820(2017)11-093-04

2016- 12- 24

芮金城(1993-)，男，硕士研究生。研究方向：微波电路设计及测试。曹锐(1976-)，男，博士，高级工程师。研究方向：片上雷达阵列。陶晓辉(1983-)，男，博士，高级工程师。研究方向：片上雷达电路设计。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.11.025